大型水利水電工程全系統瞬變流并行計算

屠浩薇

摘要：為了有效的解決單處理器計算機對大型水利水電工程全系統瞬變流計算時速慢且儲存量小的問題，我國在對水利水電系統瞬變流并行計算時，大多數都是采用并行進行分析，再根據系統中的瞬變流建立一個大體的模型，最后進行計算。本文主要闡述了大型水利水電工程全系統瞬變流的并行計算。

關鍵詞：大型水利水電工程；全系統；瞬變流；并行計算

中圖分類號：TV文獻標識碼： A

在我國社會經濟的不斷發展下，我國的水利水電工程建設規模也隨之擴大。水利水工程中的一些專業化的機械設備的結構比較復雜，這也促使水利水電工程系統中的瞬變流計算加大了難度。我國傳統的瞬變流計算上的方式非常落后，僅僅只是采用串行算法在單處理器上進行計算，這樣的計算方法不僅速度較慢，且計算也不精準，無法滿足大型水利水電系統中瞬變流計算的需求。在我國的水利水電工程中所涉及的仿真系統中，對于瞬變流的就算要求也很難實現預期的效果。

一、瞬變流并行計算

（一）瞬變流并行計算的分析

對于大型水利水電工程系統中的機械裝置主要包含：水庫、空氣、閘門等基礎的元件，這些元件主要具有對管道等區域進行連接的作用，這樣才能實現流動的狀態。對于水利水電工程中瞬變流并行計算主要是根據管道、隧洞等水電的流動狀態以及過程計算。對于系統中的相連的各元來說，其相應的邊界條件包括：管道與管道連接、明渠與明渠連接、管道與明渠連接等等。水利水電工程系統中的瞬變流并行計算，對于管道和明渠的流動可以采取特征線法計算，特征線法的就算主要包括兩部分，第一種就是邊界計算法，第二種就是中間節點計算法。對于在進行邊界計算的過程中主要涉及的內容就是管道和明渠中的鄰近的節點。對于計算中的邊界點計算與中間節點計算之間都有用著一定的密切聯系。對于名滿交替流動其主要采用的方式是特征隱式格式，這種計算方式就是將邊界點與節點歸到同一個方程計算中去。

（二）瞬變流并行計算的評價

對并行算法的評價主要是通過對計算中的時間復雜與空間復雜兩方面進行。并行處理的主要中心是通過增加對機器數量的處理來爭取更多的時間。

（三）對瞬變流并行計算的實施

根據上述所表現的情況進行分析可以知道,對于水力機械裝置系統來說瞬變流計算對其在運行過程中就有很好的可并行性,計算方式的各部分都可以進行獨立計算。但是,由于瞬變流計算所呈現出的結果都是全系統動態過程的表現,所以每一時步的計算都要求結果的準確率達到百分之百。在每一時步,各部分在計算過程中都要有信息上的互通,這種互通也是為了保證下一步計算能夠順利的進行，也就是說各個環節在計算過程中要進行信息的交換與同步。如果想要將瞬變流并行計算運用到水力機械裝置系統中，就要有很多的準備工作。首先就是要將并行進行劃分。本文通過對計算對象的劃分，從而完成對瞬變流并行計算的劃分。對與水利工程設備中的各種管道來說，連接點在計算過程中也要對每一步進行瞬變流并行計算,并且在所劃分的各部分要進行相對獨立的計算,在這個過程中，不能忽略各部分的信息溝通。對水力機械裝置系統瞬變流并行計算也可以按實際系統空間上的位置進行劃分,例如在對多級泵站系統進行劃分計算時，可以對泵站的各部分進行劃分，然后針對劃分后的各部分進行分開的計算,最后把計算結果分配到泵站的各個部件上。劃分過程中，在不考慮劃分方法的基礎上，每一個部分的零件都要進行負載平衡處理。（1）在使用分布式并行計算時，要考慮到每一個單元所用的時間，從而保證單元時間的平衡，在此基礎上，使每個單元運算時間沒有浪費。（2)在計算過程中，每個單元的信息傳遞量逐漸減小從而使得通信量所占比例減小。（3）每單元在計算過程中所消耗的時間變長，為了是每個單元計算的時間有所提高應采取對水利水電工程中所用到的機械裝置進行分類。

二、實例計算與分析

據目前統計來看，一些水利水電工程中的機械裝置主要包括：泵站、管道、明渠、調壓井、閥門、閘門等部分,

根據實驗室的實際情況來說,大部分水利水電工程都采用分布式并行計算系統,將實驗室的兩臺CPU頻率為2.1 GHz,內存1.5GB的計算機用101MB的交換機進行連接并組成一個分布式并行計算系統,通過MPI庫函數調用實現并行計算間的消息傳遞。由于采用兩臺計算機并行計算,所以將計算分為兩部分。

對某大型引水工程的水力機械裝置系統進行的瞬變流并行計算表明,并行技術可以加快計算速度,可用于將來大規模水力機械裝置系統的瞬變流計算的研究工作。

結束語

與傳統的計算方法相比，瞬變流并行計算方法可以使整個工程的效率有所提高。在水利機械運行的過程中，傳統的計算方發對人員的利用量是非常大的，并且工作效率非常的低。當瞬變流并行計算方法運用到實際計算中時，就大大的改變了傳統計算方式所造成的尷尬局面。所以使瞬變流并行計算方式取代傳統的計算方式就成了現在的重要任務。

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